МОДЕРНИЗАЦИЯ АППАРАТА ДЛЯ ГЕМОДИАЛИЗА Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 61

Д. О. Алланазаров

МОДЕРНИЗАЦИЯ АППАРАТА ДЛЯ ГЕМОДИАЛИЗА

В статье рассматривается аппарат гемодиализа, применяемый в медицине. Рассмотрен вариант модернизации оборудования путем внедрения дополнительного насоса. Сделаны выводы и разработаны рекомендации для подобных вариантов модернизации гемодиализа.

Ключевые слова: гемодиализ, искусственная почка, диализатор, диализат.

Хроническая почечная недостаточность — тяжелое болезненное состояние, в результате которого у человека постепенно «отказывает», а потом и полностью прекращается функционирование почек. То есть, организм теряет способность очищаться естественным путем. В организме начинают накапливаться токсины и прочие вредные вещества, что приводит к общим отравлением. Вследствие этого, в организме происходят необратимые изменения, и спасти больного уже нельзя. Поэтому организм приходится очищать искусственным путем. Для этого используют аппарат «искусственная почка» или аппарат для гемодиализа. Очищение в нем происходит с помощью фильтра, состоящего из полупроницаемой мембраны в виде капилляров.

Аппараты «искусственная почка» предназначены для временного замещения функций почек. Они используются в стационарных, амбулаторных и домашних условиях.

Гемодиализ — метод внепочечного очищения крови при острой и хронической почечной недостаточности. Во время гемодиализа происходит удаление из организма токсичных продуктов обмена веществ, нормализация нарушенного водного баланса и баланса электролитов.

Во время гемодиализа происходит удаление находящихся в крови веществ посредством диффузии и конвекции, которые зависят от свойств гемодиализной мембраны, а также удаление лишней воды из организма (ультрафильтрация). Диффузия во время гемодиализа осуществляется через искусственную избирательно полупроницаемую мембрану, с одной стороны которой подается кровь пациента, а с другой -диализирующий раствор. В зависимости от размера пор и других характеристик мембраны из крови могут удаляться вещества с различной молекулярной массой — от натрия и калия до мочевины и белков (02-микроглобулин). Из диализирующего раствора в кровь пациента также могут переходить электролиты (натрий, калий, кальций, хлорид и т. д.) и крупномолекулярные вещества. Поэтому диализирующий раствор содержит определенную концентрацию электролитов для поддержания их баланса в организме пациента. Он проходит специальную очистку, чтобы не допустить попадания бактерий и токсинов в кровь человека. Следует отметить, что при диффузии из крови практически не удаляются связанные с белками и гидрофобные токсические вещества [2]

Показания для проведения гемодиализа

К показаниям для проведения гемодиализа относятся такие заболевания и состояния, как:

- острая и хроническая почечная недостаточность;

- отравление спиртами;

- серьезные изменения содержания в крови электролитов;

- передозировка лекарственных препаратов;

- интоксикация ядами, имеющими свойство проникать через гемодиализную мембрану;

- гипергидратация, не поддающаяся консервативной терапии и угрожающая жизни больного.

Эти состояния могут привести к смерти без проведения процедуры гемодиализа. Основными показаниями являются остро возникшая почечная недостаточность, а также терминальная стадия хронической недостаточности почек, при которой позволяет продлить жизнь больного. Кроме того, люди на гемодиализе могут продолжать довольно долгую жизнь и даже работать.

Основанием для назначения гемодиализа при хронических заболеваниях почек являются показатели креатинина сыворотки крови более 800-1000 мкмоль/л, мочевины - 20-40 ммоль/л, скорости клубоч-ковой фильтрации - менее 5 мл/мин. Также учитывается метаболический ацидоз при содержании бикарбонатов менее 15 ммоль/л [4].

© Алланазаров Д.О., 2019.

Научный Руководитель: Валеев Ильнар Анварович - кандидат технических наук, доцент, Казанский национальный исследовательский технологический университет, Россия.

В аппарате «искусственная почка» (см. рис. 1) можно выделить следующие основные узлы: диализатор с кровопроводящими магистралями, кровяной насос, блок электронного контроля за параметрами крови и диализата, блок подготовки и слива диализата.

Аппарат "искусственная почка" содержит клапан 1 воды, вход которого соединен с источником воды, а выход - с входом первой полости теплообменника 2, выход которой соединен со стабилизатором 3 уровня жидкости, снабженным поплавком 4, и установленным на накопителе 5, выход стабилизатора 3 уровня соединен с входом нагревателя 6, выход которого подключен к верхней части накопителя 5, в котором установлен датчик 7 уровня жидкости.

Выход накопителя 5 расположен в его нижней части и соединен с входом монитора 8 концентрата, выход которого подключен к входу первого дросселя 9, выход первого дросселя 9 соединен с входом стабилизатора 10 давления, выход которого соединен с входом первого насоса 11 диализата.

Выход первого насоса 11 диализата соединен с входом сепаратора 12 газа, выход по жидкости которого соединен с датчиком проводимости 13, выход которого соединен с входом первого канала расходомера 14.

Выход первого канала расходомера 14 соединен с входом клапана 15 байпаса, нормально закрытый выход которого соединен с входом массообменника 16, а нормально открытый выход клапана 15 байпаса соединен с выходом массообменника 16 и с входом второго канала расходомера 14, выход которого соединен с входом второго насоса 17 диализата, выход которого подключен к входу переключателя 18.

Нормально открытый выход переключателя 18 соединен с входом второй полости теплообменника 2, выход которой соединен с входом второго дросселя 19, выход которого соединен со сливом диализата.

Первый нормально закрытый выход переключателя 18 соединен со сливом ультрафильтрата.

Второй нормально закрытый выход переключателя 18 соединен с входом нагревателя 6.

Выход газа сепаратора 12 газа соединен с входом клапана 20 газа, выход которого соединен с входом второго насоса 17 диализата.

Монитор 8 концентрата содержит насос 21 концентрата, вход которого подключен к резервуару 22 концентрата, а выход соединен с входом монитора 8 концентрата и с входом сепаратора 23 диализата, выход которого соединен с входом датчика 24 проводимости, выход которого является выходом монитора 8 концентрата, и с выходом газа сепаратора 23 диализата.

Переключатель 18 может быть выполнен в виде трех клапанов 25, 26 и 27, один из которых (26) нормально открытый, а два (25 и 27) - нормально закрытые, при этом входы этих клапанов соединены с

Рис. 1. Аппарат искусственная почка до модернизации

входом переключателя, нормально открытый выход которого является выходом нормально открытого клапана 26, первый нормально закрытый выход - выходом нормально закрытого клапана 25, а второй нормально закрытый выход - выходом нормально закрытого клапана 27.

Недостатками данного аппарата при наличии сепарации ультрафильтрата при гемодиализе являются: отсутствие выделения ультрафильтрата и отсутствие термостабилизации крови в массообменнике при изолированной ультрафильтрации, что ограничивает возможности применения данного аппарата в условиях реанимационных мероприятий и при лечении острой почечной недостаточности.

К недостаткам данного аппарата можно также отнести отсутствие в составе монитора диализата разгерметизирующего накопителя, что приводит при гемодиализе к большим пульсациям расхода диали-зирующего раствора, возникающим при деаэрации воды и концентратов диализирующего раствора, что неизбежно снижает стабильность расхода диализирующего раствора.

Данное изобретение решает задачу расширения функциональных возможностей аппарата путем обеспечения возможности термостабилизации крови и сепарации ультрафильтрата при изолированной ультрафильтрации (см. рис. 2).

Аппарат "искусственная почка" содержит дополнительный насос 28 концентрата, выход которого соединен с входом стабилизатора 10 давления, а вход - с дополнительным резервуаром 29 концентрата.

Аппарат содержит устройство 30 управления, входы которого связаны с электрическими информационными выходами нагревателя 6, датчика уровня 7, датчика проводимости 13, расходомера 14, датчика проводимости 24, а выходы устройства 30 управления связаны с входами управления клапана 1 воды, нагревателя 6, первого насоса 11 диализата, клапана 15 байпаса, второго насоса 17 диализата, клапана 20 газа, насоса 21 концентрата монитора 8 концентрата и дополнительного насоса 28 концентрата, клапанов 25, 26, 27, 29, 30 переключателя 18.

Переключатель 18 может быть выполнен также в виде двух клапанов 31 и 32 с отдельными электрическими приводами 33 и 34, при этом входы клапанов 31 и 32 соединены с входом переключателя, а клапан 32 выполнен в виде трехходового клапана, нормально закрытый выход которого является вторым нормально закрытым выходом переключателя 18, а его нормально открытый выход является нормально открытым выходом трехходового клапана 32, клапан 31 выполнен нормально закрытым, а его выход является первым нормально закрытым выходом переключателя 18.

Клапан 1 воды предназначен для управления гидравлическим соединением источника воды, например, выхода устройства водоподготовки с узлами аппарата и выполнен, как правило, с соленоидным приводом.

Рис. 2. Аппарат искусственная почка после модернизации

Теплообменник 2 предназначен для подогрева входной воды отработанным диализирующим раствором и выполнен в виде герметичной конструкции с набором тонких металлических пластин, омываемых с одной стороны водой, а с другой стороны - отработанным диализирующим раствором.

Накопитель 5 с установленными в нем стабилизатором 3 уровня и датчиком 7 уровня представляет собой резервуар и предназначен для накопления воды или диализирующего раствора, при этом установленный в нем датчик 7 уровня служит для выработки сигнала о превышении заданного уровня жидкости в накопителе, а стабилизатор 3 уровня представляет собой герметичный корпус с клапаном типа сопло -заслонка, механически связанный с поплавком, опущенным в резервуар накопителя.

Нагреватель 6 содержит нагревательный электроэлемент, датчик температуры, установленные в герметичном корпусе и предназначен для нагрева и регулирования температуры жидкостей.

Монитор 8 концентрата предназначен для регулирования проводимости диализирующего раствора и поддержания ее на заданном оператором уровне и содержит насос 21 концентрата, вход которого подключен к резервуару 22 концентрата, а выход соединен с входом монитора 8 концентрата и с входом сепаратора 23 диализата, выход которого соединен с входом датчика 24 проводимости, выход которого является выходом монитора 8 концентрата, и с выходом газа сепаратора 23 диализата.

Первый и второй дроссели 9 и 19 представляют собой ламинарные дроссели с круглой диафрагмой и предназначены для создания нормированного сопротивления потоку жидкости.

Стабилизатор 10 давления представляет собой вакуумный редукционный клапан и предназначен для ограничения вакуумметрического или избыточного давления жидкости на его входе в зависимости от заданного натяжения пружины растяжения-сжатия.

Первый и второй насосы 11 и 17 диализата предназначены для перемещения диализирующего раствора и выполнены каждый в виде насосной головки шестеренного или вихревого типа с приводом от управляемого электродвигателя.

Сепаратор 12 газа и сепаратор 23 газа монитора 8 концентрата предназначены для отделения газа, выделенного из жидкости, от жидкости и выполнены каждый в виде резервуара с разнесенными по уровню выходами жидкости и газа, при этом выход сепаратора по жидкости расположен ниже входа газожидкостной смеси, а выход сепаратора по газу расположен выше уровня газожидкостной смеси и входа газожидкостной смеси по уровню (см., например, схематическое обозначение сепараторов на фиг. 1).

Датчик 13 проводимости и датчик 24 проводимости монитора 8 концентрата: каждый представляет собой электрохимическую ячейку с датчиком температуры для термокомпенсации полезного сигнала и служит для измерения удельной электропроводности (проводимости) диализирующего раствора.

Расходомер 14 предназначен для измерения расхода ультра фильтрата как разности расходов диа-лизирующего раствора, измеряемых двумя измерительными каналами расходомера на входе и на выходе массообменника 16, выполнен в виде двухканального доплеровского лазерного измерителя расхода.

Клапан 15 байпаса и клапан 32 переключателя 18 предназначены для коммутации потоков диализирующего раствора и представляют собой клапан типа сопло-заслонка в герметичном корпусе с соленоидным приводом, имеют вход, один нормально открытый и один нормально закрытый выходы.

Массообменник 16 предназначен для экстракорпорального массообмена жидкостей организма с искусственной жидкой или газообразной средой через полупроницаемую мембрану (см., например, рекламный проспект на гемодиализатор F6 фирмы "Фрезениус", ФРГ).

Переключатель 18 предназначен для коммутации входного потока жидкости через два нормально закрытых и один нормально открытый выходы.

Клапан 20 газа и клапан 26 переключателя 18 предназначены для коммутации потоков газа или жидкости и представляют собой клапан типа сопло-заслонка в герметичном корпусе с соленоидным приводом, имеют вход и нормально открытый выход, а клапаны 25, 27 и 31 имеют вход и нормально закрытый выход.

Насос 21 концентрата монитора 8 концентрата и дополнительный насос 28 концентрата представляют собой мембранные объемные насосы с обратными клапанами и с электромагнитным соленоидным приводом и служат для перемещения концентратов диализирующего раствора.

Резервуар 22 и дополнительный резервуар 29 концентрата предназначены для переноски и хранения концентратов диализирующего раствора (канистры из полиэтилена для пищевых продуктов) ОСТ 6-19-3581.

Устройство 30 управления аппаратом предназначено для управления аппаратом и выполнено на основе микроконтроллера. Алгоритм работы устройства управления 30 описан в документации ИВФП.942516.009.

Электромагнитный соленоидный привод 33 и 34 клапанов каждый представляет собой электромагнитный электромеханический преобразователь и предназначен для открывания нормально закрытого и закрывания нормально открытого клапана типа сопло-заслонка при подаче напряжения на его обмотку

(см., например, Гомельский Ю.С., "Электрические элементы электрогидравлических устройств автоматики", М., "Энергия", 1968, стр. 8 -15).

Аппарат "искусственная почка" может быть снабжен дополнительным насосом концентрата, выход которого соединен с входом стабилизатора давления, а вход - с дополнительным резервуаром концентрата.

Переключатель может быть выполнен в виде одного нормально открытого и двух нормально закрытых клапанов, входы всех клапанов объединены с входом переключателя, нормально открытый выход которого является выходом нормально открытого клапана, первый нормально закрытый выход - выходом первого из нормально закрытых клапанов, а второй нормально закрытый выход является выходом второго нормально закрытого клапана.

Переключатель также может быть выполнен в виде двух клапанов с отдельными электромагнитными приводами, входы этих клапанов объединены с входом переключателя, первый клапан выполнен нормально закрытым, а его выход является первым нормально закрытым выходом переключателя, а второй клапан выполнен в виде трехходового клапана, нормально закрытый выход которого является вторым нормально закрытым выходом переключателя, а его нормально открытый выход является нормально открытым выходом трехходового клапана.

Таким образом, сущность настоящего изобретения заключается в том, что благодаря предложенному техническому решению, аппарат может термостабилизировать кровь пациента и выделять из общего объема диализата объем диализата, количественно равный измеренному объему ультрафильтрата, отобранному у пациента в режиме изолированной ультрафильтрации, при этом количество конструктивных элементов аппарата уменьшается по отношению к аналогу, что обеспечивает повышение надежности конструкции в целом.

Кроме того, предложенная конструктивная реализация аппарата "искусственная почка" обеспечивает повышение стабильности расхода диализата.

Библиографический список

1. http://www.freepatentru/patents/2141346\\\

2. Стецюк Е.А. Основы гемодиализа. - 2001

АЛЛАНАЗАРОВ ДЖАХОНГИР ОЛИМОВИЧ - магистрант, Казанский национальный исследовательский технологический университет, Россия.